便攜式低溫半導體探測器裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及便攜式低溫半導體探測器裝置，尤其涉及一種高純鍺探測器裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]鍺(Ge)半導體的禁帶寬度很低，因此其電離能較低(0.09ev)，所以，用Ge晶體做成的探測器具有兩個獨特的優(yōu)勢:(1)最好的能量分辨率；(2)極高的位置分辨能力。因此，這類探測器被廣泛用于高能物理與核物理領(lǐng)域中能譜及位置信息的測量。然而，由于半導體禁帶寬度低，在常溫下Ge晶體及其電子學系統(tǒng)中的結(jié)型場效應管(JFET)的反向泄漏電流都很大，這會直接影響Ge探測器的能量分辨率和靈敏度。
[0003]反向泄漏電流的來源主要有表面漏電流、體漏電流以及擴散漏電流。
[0004]對于表面漏電流，是與探測器晶體的晶體封裝處理的表面狀態(tài)有關(guān)的電流，是在表面層產(chǎn)生的，即使在低溫條件下也會隨反向電壓增加而增大，因此不能忽略，在現(xiàn)有技術(shù)中通過保護環(huán)技術(shù)解決了表面漏電流問題。
[0005]對于體漏電流和擴散漏電流，是探測器晶體和JFET兩者本身都存在的噪聲，可以通過低溫解決。如Ge探測器的正常工作溫度在85-100K，JFET的最佳工作溫度在115K。因此，為了降低探測器晶體及JFET本身的體電流和擴散電流，通常將兩者都冷卻到液氮溫區(qū)。另外，Ge的表面態(tài)容易受到周圍氣體的影響，導致表面漏電流和噪聲增大，所以，傳統(tǒng)的設(shè)計是將HPGe探測器保持在低于1.50 X 1-4Pa的真空條件下使其表面態(tài)不受破壞，同時，真空也利于低溫條件的保持，因此傳統(tǒng)的Ge探測器是將其晶體和JFET —同置于一個真空低溫的容器內(nèi)。然而，這種設(shè)計存在如下幾個缺陷:(1)容器的真空狀態(tài)會隨著時間的推移變差，甚至破壞，這將會導致兩個結(jié)果，即，(a)容器內(nèi)的雜質(zhì)分子或離子會吸附在晶體表面，破壞晶體的表面態(tài)，從而增大表面漏電流，降低探測器的能譜分辨，表面態(tài)的恢復維修工藝復雜，目前進口的探測器在中國僅能做簡單的真空烘烤恢復維修，而且收費高昂，如ORTEC的裝置一次真空加熱處理維修費高達I萬元；(b)真空破壞氣壓增大，引起探測器晶體與容器外壁的對流熱傳導增大，晶體上的冷量將被迅速地傳到容器外殼，從而引起裝置外殼發(fā)汗甚至結(jié)霜，影響甚至會腐蝕晶體腔室附近的電路模塊；(2)晶體直接暴露于真空室中，真空系統(tǒng)揮發(fā)的油蒸汽有可能對晶體造成污染，后果如前述的(a)所述那樣；(3)晶體和JFET電路同處一個腔室，一旦真空破壞或者更換電子配件就會使晶體暴露大氣，后果如前述的(a)所述那樣。此外，雖然傳統(tǒng)用液氮制冷方式具有噪聲小、功耗低的優(yōu)勢，然而這種方式一方面需要定期補充液氮，給用戶造成很大麻煩，另一方面還受到杜瓦的限制不能將探測器的體積做的方便攜帶。采用機械制冷方式可以有效地減小探測器的體積，在采用機械制冷方式對探測器制冷的研宄歷程中，為了尋找低噪聲的制冷機，人們曾嘗試過各種形式的壓縮機，例如，美國專利(專利號:6396061B)采用帕爾貼半導體制冷片，例如，奧泰克的XCooler?采用Joule-Thompson制冷機。相對而言，脈管式斯特林制冷機對探測器的干擾最小，然而對弱信號測量的Ge探測器測量其振動噪聲水平也不可忽視，歷史上人們嘗試過各種努力以降低斯特林制冷機振動對信號的干擾，如美國專利(專利號:6131394)采用一個算法嵌入到DSP裝置來控制力學平衡以降低活塞運動的微小弱振動干擾。目前，現(xiàn)有主流產(chǎn)品的設(shè)計是將制冷機的冷指和晶體之間通過硬連接耦合實現(xiàn)導熱，制冷機的機械振動將直接傳給晶體，晶體再將振動傳遞給接觸電極，一方面對于采用交流耦合電路的電荷靈敏前置放大器來說無疑將會產(chǎn)生嚴重的振動噪聲，導致能量分辨率變差，甚至完全淹沒能譜信號，即使對于直流耦合電路的放大器也會影響能譜分辨，另一方面振動將會在晶體和接觸電極之間形成摩擦從而產(chǎn)生靜電，靜電也會來帶干擾噪聲。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]為了解決上述問題，本實用新型的目的是提供一種低噪聲、低能耗的機械制冷半導體探測器裝置。
[0007]本實用新型是從以下幾個方面考慮進行設(shè)計的:(1)防止晶體暴露的保護措施；
(2)提升真空維持時間；(3)降低制冷機活塞振動帶來的噪聲干擾；(4)減少晶體和JFET直接的導線距離，降低JFET工作溫度，降低電子學噪聲；(5)緊湊的前端、高壓電子學封裝室。
[0008]為了實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型提供一種便攜式低溫半導體探測器裝置，其特征在于，具備:
[0009]探測器晶體，具有晶體內(nèi)表面接觸極和晶體外表面接觸極；
[0010]高氣壓晶體保護室，由下端面開放的高氣壓晶體保護室外殼和將所述高氣壓晶體保護室外殼的下端面密封的高氣壓晶體保護室蓋帽構(gòu)成，在內(nèi)部充滿高壓超純惰性氣體并且容納有所述探測器晶體，設(shè)置于所述高氣壓晶體保護室蓋帽的接觸電極與所述晶體內(nèi)表面接觸極相接觸；以及
[0011]制冷裝置，包括制冷機和與所述制冷機相連的制冷機冷指，用于冷卻所述探測器晶體。
[0012]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，還具有:真空室，由下端面開放的真空室外殼和將所述真空室外殼的下端面密封的真空室蓋帽構(gòu)成，內(nèi)部為真空環(huán)境并且容納有所述高氣壓晶體保護室。
[0013]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，還具有:電路封裝室，由密封連接于所述真空室外殼的下方的電路封裝室筒殼和覆蓋在所述電路封裝室筒殼的下端面的電路封裝室蓋帽構(gòu)成，并且在內(nèi)部封裝有前端電路和高壓電路。
[0014]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，在所述真空室蓋帽的中心形成有第一圓孔，并且，在所述電路封裝室蓋帽的中心形成有第二圓孔，
[0015]金屬冷指筒套通過所述第一圓孔和所述第二圓孔，并且所述金屬冷指筒套與所述真空室蓋帽以及所述電路封裝室蓋帽密封連接。
[0016]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，在所述金屬冷指筒套的內(nèi)部設(shè)置有塑料冷指套，所述塑料冷指套的上端與設(shè)置在其上端的圓盤形銅座相耦合密封，所述塑料冷指套的另一端與所述金屬冷指筒套相耦合密封，由所述真空室外殼、所述真空室蓋帽、所述金屬冷指套筒和所述塑料冷指套形成密封的空間。
[0017]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，所述高氣壓晶體保護室通過藍寶石片耦合在所述圓盤形銅座上，所述制冷機冷指插入到所述塑料冷指套內(nèi)并且隔著藍寶石片抵接于所述圓盤形銅座。
[0018]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，所述高氣壓晶體保護室懸掛在所述真空室內(nèi)，所述制冷機冷指插入到所述塑料冷指套內(nèi)并且隔著藍寶石片抵接于所述圓盤形銅座，設(shè)置在所述圓盤形銅座上的柔性的銅辮耦合到所述高氣壓晶體保護室的側(cè)壁。
[0019]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，在所述真空室外殼的內(nèi)壁上下圓周內(nèi)以及所述高氣壓晶體保護室的外殼外壁上下圓周內(nèi)對應的位置分別均勻有布置多個懸掛鉚釘，通過芳綸纖維將所述真空室外殼和所述高氣壓晶體保護室外殼上分別對應的所述懸掛鉚釘相連，從而實現(xiàn)所述高氣壓晶體保護室的懸掛。
[0020]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，在所述高氣壓晶體保護室蓋帽的形成有所述接觸電極的一側(cè)的相反側(cè)，設(shè)置有形成了 JFET和Cf//Rf阻容反饋電路的電路模塊，來自所述接觸電極的信號通過所述電路模塊被引出到設(shè)置于所述真空室蓋的信號引出線，所述晶體外表面接觸極與設(shè)置于所述真空室蓋的高壓引出線連接，所述信號引出線和所述高壓引出線分別與所述前端電路和所述高壓電路連接。
[0021]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，在所述電路封裝室筒殼的外壁設(shè)置有用于與外圍電子學器件連接的弓I線接插件。
[0022]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，在所述探測器晶體的端面設(shè)置有保護環(huán)，在所述高氣壓晶體保護室蓋帽上形成有保護環(huán)接地電極，所述保護環(huán)接地電極與所述保護環(huán)接觸。
[0023]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，在所述高氣壓晶體保護室的上下端面與所述探測器晶體的上下端面之間設(shè)置有聚四氟乙烯墊片。
[0024]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，在所述高氣壓晶體保護室內(nèi)設(shè)置有分子篩。
[0025]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，在所述高氣壓晶體保護室蓋帽上設(shè)置有用于對所述高氣壓晶體保護室填充高壓高純惰性氣體的充排氣管。
[0026]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，在所述高氣壓晶體保護室外包圍一層絕緣保護膜。
[0027]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，在所述真空室內(nèi)設(shè)置有分子篩和吸氣劑離子泵。
[0028]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，在所述真空室外殼上設(shè)置有用于連接真空泵進行抽真空的抽氣孔。
[0029]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，在所述高氣壓晶體保護室外殼的下端沿設(shè)置有臺階，所述高氣壓晶體保護室蓋帽放置在所述臺階上，將外徑比楔形壓環(huán)的外徑稍大的O型圈套在所述楔形壓環(huán)上，緊壓于所述高氣壓晶體保護室蓋帽，從而實現(xiàn)所述高氣壓晶體保護室外殼和所述高氣壓晶體保護室蓋帽之間的密封。
[0030]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，所述真空室的所有密封都采用楔形壓環(huán)和O型圈相擠壓的方式密封。
[0031]此外，在本實用新型的便攜式低溫半導體探測器裝置中，所述電路封裝室筒殼和所述電路封裝室蓋帽之間的密封以及所述電路封裝室蓋